6_Лабораторный_практикум 4054

21

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИЗУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ

Цель работы: изучить диаграмму состояния железо - цементит, проанализировать превращения, происходящие в сплавах.

Выполнение работы рекомендуется проводить в следующем порядке:

I. Изучить по методическим указаниям компоненты, фазы, их свойства и превращения, протекающие в системе Fe - Fе3С.

Диаграмма состояния железо - цементит представлена на рис.1.

Рис.1 – Диаграмма состояния сплавов железо-цементит

22

1260°С.

Цементит обладает высокой твердостью (>800НВ), но чрезвычайно низкой, практически нулевой, пластичностью. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов, а атомы железа - металлами. Такой твердый раствор на базе цементита называется легированным цементитом.

На диаграмме Fe - Fе3С присутствуют следующие фазы: жидкий расплав (L), феррит (Ф), аустенит (А) и цементит (Ц).

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном α-Fe = 0,02 % т. Р, а в высокотемпературном δ-Fe = 0,1 % т. Н. Столь низкая растворимость углерода в α-Fe обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях). Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами:

уB 300МПа, е 40% , ш 70% , KCU 2,5МДж/м2 , твердость до

100НВ.

Аустенит (А)- твердый раствор внедрения углерода в γ -железе. Предельная растворимость углерода в γ-Fe =2,14% т. Е. Механические свойства аустенита характеризуются меньшей пластичностью и большей прочностью (уB 300 - 350МПа) и твердостью (160-200НВ),

чем у феррита.

Линии диаграммы (рис.1):

1.АВСD - линия ликвидус.

2.АНJECF - линия солидус.

3.HJB - линяя перитектического превращения (t = 1499°С). В результате перитектической реакции образуется аустенит:

LB ФН АJ .

Реакция наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,51%. Причем, в сплавах, содержащих углерода от 0,1% до 0,16%, после завершения реакции в избытке остается феррит, а в сплавах, содержащих углерода от 0,16% до 0,51%, в избытке остается жидкость. Это связано с тем, что перитектическая реакция протекает при строгом количественном соотношении фаз. Необходимое количество реагирующих фаз в данной системе определяется т. J (Ф/L= JB/HJ).

4. ECF- линия эвтектического превращения (t = 1147°С). В результате эвтектической реакции из жидкой фазы образуется эвтектическая

24

смесь аустенита и цементита, называемая ледебуритом (Л)

LC AE ЦF .

Реакция протекает у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14%. Структура смеси при температуре 727°С изменяется, т.к. аустенит превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. В ледебурите цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости >700НВ и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием. Количественное соотношение фаз при эвтектическом превращении характеризует точка C (Ц/А=EC/CF). После завершения реакции, в доэвтектических сплавах, содержащих углерода от 2,14% до 4,3%, в избытке остается аустенит, а в заэвтектических сплавах, содержащих углерода от 4,3% до 6,67%, в избытке остается цементит.

5. PSK - линия эвтектоидного превращения (t = 727°C). Обознача-

ется А1.

В результате эвтектоидного превращения из аустенита образуется смесь феррита и цементита, называемая перлитом (П).

AS ФP ЦК .

Эвтектоидное превращение протекает во всех сплавах системы, содержащих углерода более 0,02%. Перлит может иметь зернистое, но чаще имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей со следующими механическими свойствами:

уB 800 - 900МПа, у0,2 450MПа , е 16%, твердость 180-220НВ;

6.МО - линия магнитного превращения (t = 768°С). При нагреве

выше этой линии ферромагнитный феррит превращается в парамагнитный, а при охлаждении - наоборот.

7. ES - линия сольвус (обозначается Аст). Это линия характеризует изменения концентрации углерода в аустените при изменении температуры. С понижением температуры от 1147°С до 727°С предельная растворимость углерода в γ-Fe понижается от 2,14% до 0,8%, вследствие чего выделяющийся углерод, взаимодействуя с железом, образует цементит, называемый вторичным (ЦII). Цементит, кристаллизующийся из жидкого расплава, называется первичным. Цементит вторичный образуется во всех сплавах, содержащих углерода более

0,8%.

8. PQ - линия сольвус. Эта линия характеризует изменение кон-

25

центрации углерода в феррите при изменении температуры. С понижением температуры от 727°С до комнатной предельная растворимость углерода в феррите понижается от 0,02% до 0,006%, вследствие чего при охлаждении из феррита вытесняется углерод, образующий цементит, называемый третичным (ЦIII). Во всех сплавах, содержащих углерода более 0,02%, происходит образование ЦIII, но его пластинки нарастают на уже имеющиеся пластинки цементита, поэтому структурно неразличимы.

Все сплавы изучаемой системы можно разделить на две группы: стали и чугуны. Стали содержат углерода от 0,02% до 2,14%, а чугу-

ны - от 2,14% до 6,67%.

Стали подразделяются на доэвтектоидные (от 0,02% до 0,8%С), эвтектоидные (0,8%С) и заэвтектоидные (от 0,8% до 2,14%С). Чугуны подразделяются на доэвтектические (от 2,14% до 4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3% - 6,67%C).

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов: Сплав I (доэвтектоидная сталь, содержащая 0,12%С)

t,OC

1

2 2'

3

4

5 5'

τ,с

Рис. 2 – Кривая охлаждения сплава, содержащего 0,12%С

Кристаллизация сплава начинается при температуре т.1 (с1 1):из

жидкой фазы кристаллизуется феррит, состав которого по мере кристаллизации до температуры т.2 (с2 0 ) изменяется по линии(1'-Н), а

состав жидкой фазы по линии (1-B). При температуре т.2 в сплаве протекает перитектическое превращение при избытке феррита, т.к. требуемое соотношение фаз для этого превращения Ф/Ж = JB/HJ, а в т.2 - 2B/H2 > JB/HJ. Поэтому после превращения в системе будет кроме аустенита присутствовать еще и феррит.

При охлаждении сплава в интервале температур от т.2 до т.3 (с 1) происходит превращение оставшегося после перитектической реакции феррита в аустенит. Ниже температуры т.3 сплав состоит из однородного аустенита. При охлаждении сплава в интервале температур

26

от т.3 до т.4 превращений в нем не происходит. При температуре т.4 (с4 1) в сплаве начинается превращение аустенита в феррит, т.к.

происходит полиморфное превращение γ-Fe → α-Fe, при этом состав оставшегося аустенита изменяется по линии (4-S ),т.е. аустенит обогащается углеродом. Этот процесс продолжается до температуры 727°С. При этой температуре весь аустенит, содержащий 0,8%С, превращается в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (Ф+П).

По мере охлаждения сплава от температуры т.5 до комнатной из феррита будет выделяться ЦIII, но он, как указывалось выше, будет структурно неразличим.

Сплав II (заэвтектоидная сталь, содержащая 1,8%С). Кристаллизация сплава начинается при температуре т.1 (с1 1) –

на кривой охлаждения наблюдается точка перегиба: из жидкой фазы начинается кристаллизоваться аустенит, состав которого по мере снижения температуры изменяется по линии (1'-2),а состав жидкой фазы

- по линии (1-2').

t,OC

1

2

3

4 4'

τ,с

Рис. 3 – Кривая охлаждения сплава, содержащего 1,8%С

При температуре т.2 первичная кристаллизация сплава заканчивается и его структура состоит из аустенита, состав которого, соответствует составу сплава. В интервале температур от т.2 до т.3 никаких превращений в сплаве не происходит. При дальнейшем охлаждении сплава в интервале температур от т.3 до т.4 из аустенита, вследствие понижения в нем растворимости углерода, выделяется цементит вторичный (ЦII). Состав аустенита при этом изменяется по линии (3-S) и при температуре т.4 (727°С) в нем содержится 0,8%С. При температуре т.4 (с4 0 ) весь аустенит превращается в перлит вследствие эв-

тектоидного превращения AS ФP ЦК ), который вместе с выде-

лившимся ранее цементитом вторичным образует конечную структуру стали (П + ЦII). При дальнейшем охлаждении сплава до комнатной

27

температуры из феррита, входящего в состав перлита, выделяется углерод, образующий ЦIII, но он структурно неразличим и его количество незначительно.

Сплав III (заэвтектический чугун, содержащий 4,8%С).

t,OC

1

2 2'

3 3'

τ,с

Рис. 4 – Кривая охлаждения сплава, содержащего 4,8%С

Кристаллизация сплава начинается при температуре т.1 (с1 1) из

жидкой фазы кристаллизуется цементит, называемый первичным (ЦI). Кристаллизация ЦI протекает в интервале температур от т.1 до т.2, при этом состав жидкой фазы изменяется по линии (1-C). Первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением в т.2 (с2 0 ) при температуре (1147°С) с образованием ледебурита

LC AE ЦF

При эвтектическом превращении соотношение цементита к аустениту находиться в пропорции Ц/А = ЕС/СF. Так как в рассматриваемом сплаве в т.2 2Е/2F > ЕС/СF, т.е. цементит находится в избытке и при температуре ниже 1147°С в структуре сплава будет находиться ледебурит и избыточный цементит первичный (ЦI), выделившийся ранее.

При дальнейшем охлаждении сплава в интервале температур от т.2 до т.3 происходит выделение из аустенита ЦII, но пластинки ЦII структурно неразличимы, т.к. наслаиваются на пластинки цементита, входящего в состав ледебурита. При температуре т.3 (с3=0) аустенит ледебурита превращается в перлит, т.е. ледебурит ниже температуры т.3 состоит из перлита и цементита. Конечная структура заэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из ЦI и Л (П + Ц).

II. Получить у преподавателя вариант задания и проанализировать превращения, протекающие в сплаве, построив кривую охлаждения заданного сплава с применением правила фаз.

III. Определить составы и количественное соотношение (%) фаз (структурных составляющих) в сплаве при указанной в таб.1 темпера-

28

туре.

IV. Оформить отчет и защитить выполненную работу.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дать определение и характеристику компонентов, фаз и структурных составляющих, присутствующих в изучаемой системе, указать их свойства;

2.Назвать основные линии диаграммы охарактеризовать превращения, протекающие на этих линиях.

3.Для любой точки диаграммы определить состав фаз (структурных составляющих) и их количество.

ЛИТЕРАТУРА

1.Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева, Москва, Машиностроение, 1990.-528с.

2.Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов [и др.]; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – 2-е изд. – Москва: Машино-

строение, 1986.-383с.

3.Материаловедение / Б.Н. Арзамасов [и др.]. – 7-е изд. – Москва: Изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2005.-648с.

4.Геллер Ю.А. Материаловедение / Ю.А.Геллер, А.Г. Рахштадт.- Москва: Металлургия, 1989. – 456с.

5.Худокормова Р.Н., Пантелеенко Ф.И. Материаловедение: Лабораторный практикум, Мн., Вышэйшая школа, 1988

6.Кенько В.М. Материаловедение: курс лекций. – Гомель: ГГТУ им. П.О.Сухого, 2009, 246с.

7.В.М.Кенько, Н.И.Базилеева,М.М.Овчинникова «Методическое указание к лабораторным работам» по курсам «Материаловеде-

ние» и «Конструкционные материалы» для студентов (часть3)/: каф.«Материаловедение в машиностроении».-Гомель.ГПИ,1988.- 63с.

29

Лабораторная работа №3

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Цель работы - ознакомиться с видами химико-термической обработки и произвести цементацию стали.

Приборы и материалы: микроскоп ММУ-3, твердомеры Бринелля и Роквелла, электропечь, шлифовальная и полировальная машины, контейнер, карбюризатор, образцы из низкоуглеродистой стали, вата, фильтровальная бумага, травитель, спирт.

Выполнение работы рекомендуется производить в следующем порядке:

1.Ознакомиться с теоретическими положениями по химикотермической обработке

Химико-термической обработкой (ХТО) называется обработка,

заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. Такая обработка позволяет повысить твердость, износостойкость, усталостную прочность и долговечность, а также стойкость изделия к окислению и электрохимической коррозии. При хи- мико-термической обработке происходит поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (C, N, Al, Cr, Si, и др) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

ХТО включает три последовательные стадии:

– выделение диффундирующего элемента в атомарном виде из рабочей среды, вследствие химических реакций, обычно распада

(диссоциации) молекул окружающей среды, например,

2NH3 2Nат 3H2 ;

–поглощение атомов диффундирующего элемента поверхностью детали (адсорбция);

–проникновение атомов вглубь от поверхности (диффузия). Насыщение поверхности стали при ХТО возможно лишь хими-

ческими элементами, образующими твердые растворы или химические соединения. Скорость диффузии зависит от состава и кристаллического строения образующихся фаз. При насыщении стали элементами, образующими твердые растворы внедрения (C, N), диффузион-

30